книги / Транспортировка нефти, нефтепродуктов и газа

Рис. 3.10. Компенсатор сальниковый двухсторонний по нормали Н572

способность каждой стороны компенсаторов от 150 до 250 мм в зависимости от диаметра.

Конструкция сальникового компенсатора представляет конструкцию устройства принципа действия «труба в трубе», которые могут перемещаться одна относительно другой как в телескопе. Компенсаторы бывают односторонние и двухсторон­ ние. Первые состоят из неподвижного корпуса и одной компен­ сирующей части, Вторые, соответственно, имеют две компенси­ рующие части. Герметичность компенсатора достигается за счет сальниковых уплотнений.

Предельное удлинение подвижных частей компенсатора обычно ограничивается специальной цепочкой. В настоящее время сальниковые компенсаторы применяются редко, так как при их применении не исключаются утечки, а также по причине их большой металлоемкости и сложности конструкции. Размеры сальниковых компенсаторов приведены в табл. 3.8.

Устанавливать компенсаторы на трубопроводе рекомендуется при среднем перепаде температуры в течение суток с предвари­ тельным его напряжением (перемещением), равным половине компенсирующей способности.

Контрольные вопросы для проверки знаний

1.Задачи механического расчета трубопровода.

2.Виды предельных состояний конструкций.

3.По какому предельному состоянию проводится расчет ма­ гистрального трубопровода и почему?

132

4.Виды напряжений, возникающих в стенке трубы во время перекачки нефти по трубопроводу.

5.Написать формулы расчета напряжений.

6.Написать формулу расчета термических напряжений в тру­ бопроводе.

7.Виды компенсаторов.

8.Устройство линзового компенсатора.

9.Устройство сальникового компенсатора.

10.Требования к установке компенсатора.

3.6. Гидравлический расчет магистральных трубопроводов

3.6.1. Задачи гидравлическогорасчета

Общие определения

В гидравлическом расчете магистрального трубопровода ре­ шаются следующие задачи:

—определение величины суммарного напора Нпол, необхо­ димого для преодоления сопротивления при перекачке нефти или нефтепродукта по трубопроводу от начального до конечного пункта;

—построение характеристики трубопровода;

—определение гидравлического уклона или падения давле­ ния в трубопроводе по его длине;

—определение количества насосных станций и их располо­ жение по трассе трубопровода;

—подбор по характеристике трубопровода типа основных технологических и подпорных насосов и определение количества насосов.

Основные определения

Расход объемный — объемное количество жидкости, протека­ ющее через поперечное сечение трубопровода вединицу времени, измеряется в м3/час, м3/сек, л/сек:

Расходмассовый— массовое количество жидкости, протекаю­ щее через поперечное сечение трубопровода в единицу времени, измеряется в т/час, т/сек, кг/сек:

133

Средняя скорость (объемная) потока равняется отношению расхода к площади сечения потока (трубопровода), измеряется в м/сек:

Площадь поперечного сечения трубопровода, как было сказано выше, измеряется м2:

где d —диаметр трубы в м.

Виды ДВИЖЕНИЯ жидкости

Равномерное, при котором скорость потока по его длине оста­ ется постоянной, например, в заполненном трубопроводе посто­ янного сечения при постоянном расходе жидкости.

Неравномерное, при котором скорость потока по его длине из­ меняется, например, в заполненном трубопроводе переменного сечения при постоянном расходе жидкости.

Установившееся движение жидкости, когда расход постоянен. Неустановившееся движение, когда расход меняется.

Режимы движения жидкости. В гидравлике различают два режима движения жидкости:

—ламинарное — это движение без перемешивания частиц;

—турбулентное—это вихревое движение с перемешиванием

частиц.

Режим движения жидкости определяют по значению числа Рейнольдса Re

—при Re < 2320 — ламинарное движение жидкости;

—при Re > 2320 — турбулентное движение жидкости.

Исходные данные для расчет а

Исходные данные для выполнения гидравлического рас­ чета обычно известны и задаются в задании на проектирование. Для гидравлического расчета требуются следующие исходные данные:

—вид нефти или нефтепродукта;

—годовой объем перекачки;

—длина трубопровода;

—величина гидростатического напора;

—величина остаточного напора;

—перепад температуры, при котором будет работать трубо­ провод в течении года.

134

3.6.2. Порядок проведения гидравлическогорасчета трубопровода

Гидравлический расчет магистрального трубопровода, как правило, проводится в следующем порядке.

1.Принятие условий для расчета. При проведении гидравли­ ческого расчета принимают следующие условия:

— жидкость идеальная, то есть практически несжимаемая;

— движение жидкости в трубопроводе установившееся.

2.Принятие основной расчетной формулы. Из курса ги­ дравлики известно, что установившееся движение жидкости в трубопроводе соответствует уравнению

где р —давление; р — плотность жидкости;

X — коэффициент гидравлического сопротивления; х — длина;

D — диаметр трубопровода;

v — средняя скорость движения жидкости; g — ускорение свободного падения;

Z— геодезическая высота местности (трассы трубопровода).

Величина dp/p представляет собой работу перемещения жид­ кости на участке dx, отнесенную к единице массы.

Эта работа расходуется:

—на преодоление сил трения [Xdx/Dv1/ 2];

—на изменение кинетической энергии жидкости (dv2/ 2);

—на подъем жидкости на высоту dz.

Учитывая, что нами принято р = idem (капельная жидкость) и что в этом случае при постоянном диаметре и устоявшемся ее движении в трубопроводе dv2/ 2= 0, после интегрирования по­ лучаем

где L — длина трубопровода; D —диаметр трубопровода;

Az=z2—Zi—разностьотметокконечнойи начальнойточектрассы трубопровода.

При делении (6) на g получаем:

В уравнении (3.28) каждый член уравнения представляет со­ бой работу, отнесенную уже не к единице массы, а к единице веса

135

жидкости, т. е. высоту столба жидкости. Величина/?2ф&) представ­ ляет собой высоту Я, на которую жидкость поднимается в пьезо­ метре под действием избыточного давления р, в начальной точке трубопровода, p2(pg) — высоту Я2. Произведя замену, получим:

В общем случае величину Я или pl/pg называют напором (единица измерения напора — метр).

Смысл этого уравнения такой. Разность напора в начальной и конечной точках трубопровода Я есть не что иное, как общая (суммарная) потеря напора. Она складывается из потери напора на трение и гидростатического давления, равного разности отметок конца и начала трубопровода.

Для практического расчета трубопроводов пользуются не­

где Япол — полный (суммарный) напор, необходимый для перекачки нефти (нефтепродукта) из начального до конечного пункта, в м;

Лтр — потери напора натрение при движении жидкости потрубе,

вм;

Лмс — потери напора на местные сопротивления при прохож­ дении жидкости через задвижки, фильтры, различные повороты, разветвления, сужения или раструбы и так далее, в м;

/?ск — скоростной напор, или потери напора на преодоление сил инерции жидкости при создании насосами расчетной скорости по­ тока жидкости в трубопроводе, в м;

/;гст — гидростатический напор, который требуется на преодоле­ ние разности геодезических отметок между конечным и начальным пунктами трубопровода, в м. Этот напор может иметь положитель­ ную величину или отрицательную в зависимости от уклона трассы трубопровода;

hост “ разность геодезических отметок между конечным пунктом трубопровода и высотой резервуара, в который закачивается жид­ кость, в м. Для подземного резервуара этот напор будет равен нулю.

3.Определение внутреннего диаметра трубопровода выполня­ ется по рекомендациям, указанным в технологическом расчете (см. табл. 3.3).

4.Определениепотери напора на трение. Потери напора на тре­ ние определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

136

где X — коэффициент гидравлического сопротивления; L — длина трубопровода в м;

d — внутренний диаметр трубопровода в м;

v— скорость потока жидкости в трубопроводе в м/сек; ускорение свободного падения в м2/сек.

Длина трубопровода определяется по профилю трассы тру­ бопровода.

Величина коэффициента гидравлического сопротивления X зависит от режима движения жидкости и от шероховатости вну­ тренней поверхности труб.

Режим движения жидкости в трубопроводе определяется по числу Рейнольдса и вычисляется по формуле

поверхности трубы. Величина «е»обычно принимается потаблицам справочников. В табл. 3.9 приводятся данные шероховатости раз­ личных труб.

При Re < 40/eV^ гидравлическое сопротивление в трубопро­ воде зависит только от режима движения жидкости, то есть от величины Re.

При Re > 382,4/evX гидравлическое сопротивление в трубо­ проводе зависит только от шероховатости труб.

137

Взоне 40/е>Д < Re < 382,4/&fk гидравлическое сопротивление

втрубопроводе зависит от режима движения жидкости и шеро­

ховатости.

В расчетах магистральных трубопроводов принято считать режим движения ламинарным при Re <2000, переходным при Re = 2000 - 2800 и свыше — турбулентным.

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формулам:

— при ламинарном режиме по формуле Стокса

— при турбулентном режиме для абсолютно гладких труб, или при 2000 < Re < 80 000 по формуле Блаузиса:

— при турбулентном режиме для шероховатых труб, или при 100000 < Re < 10800 000 по формуле Никурадзе:

или для практических расчетов, как правило, по формуле:

где е — относительная шероховатость стенок труб. lg — логорифм числа.

5. Определение потерь на трение от местных сопротивлений

На преодоление каждого вида местного сопротивления (за­ движки, фильтра, сужения, расширения, поворота и т.д.) рас­ ходуется разное количество энергии или напора и определяется по формуле

где £— коэффициент местного сопротивления, определяется опыт­ ным путем для каждого вида местного сопротивления.

Общие потери напора на преодоление местных сопротивле­

138

ний можно представить в виде эквивалентной длины /экв трубо­ провода, которая определяется по формуле

Втаком случае расчет общих потерь на трение можно свести

кпотерям на приведенной длине трубопровода равной:

где /тр—длина линейной части трубопровода, м; /экв — эквивалентная длина местных сопротивлений трубопро­

вода, м;

d — внутренний диаметр трубопровода, м;

v — скорость потока жидкости в трубопроводе, м/сек; g — ускорение свободного падения тел, м2/сек;

v2/2g — скоростной напор потока жидкости, м.

При расчете магистральных трубопроводов потери на мест­ ные сопротивления не учитываются всвязи стем, что их величина незначительная по сравнению с потерями в трубе. Поэтому для магистрального трубопровода потери на трение определяются по формуле

где Ljp — общаядлинатрубопровода, включая участки на НПС, м.

6. Определение скоростного напора. Скоростной напор опреде­ ляется по формуле

hCK=v2/2g. (3.47)

Как было сказано выше, скоростной напор направлен на преодоление сил инерции жидкости, то есть для сообщения по­ току жидкости расчетной скорости.

Налинейной части трубопровода, гдедвижение жидкости при выводе трубопровода в проектный режим работы будет уравно­ вешенным, то есть с постоянной скоростью. Поэтому энергия на создание требуемой скорости потока расходуется в начале пуска трубопровода, то есть на преодоление покоя жидкостито есть на преодоление покоя жидкости и на разгон жидкости до расчетной скорости потока. В дальнейшем затрат энергии на скоростной режим не происходит, поэтому в расчете линейной части трубо­ провода скоростной напор не учитывается и приравнивается к нулю.

139

7. Определение гидростатического напора. Гидростатический напор направлен на преодоление разности геодезических отметок местности между конечным и начальным пунктами трубопровода. Величина этого напора может быть положительной при перекачке на подъем местности и отрицательной при перекачке под уклон. Определяется гидростатический напор по формуле

где ZKOH геодезическая высота оси трубопровода в конечной точ­ ке, м;

Z„m— геодезическая высота оси трубопровода в начальной точ­ ке, м.

8. Определение остаточного напора. Величина остаточного напора определяется в задании на проектирование. Остаточный напор в конце трубопровода необходим для преодоления сопро­ тивления технологического приемного трубопровода на НПС и при закачке жидкости в приемный резервуар на полную его высоту. Если жидкость закачивается в наземный резервуар, то остаточный напор будет равен высоте резервуара, если в подзем­ ный, то нулю.

9. Окончательно требуемый полный напор для магистрально­ го трубопровода можно получить в практических расчетах по формуле

При расчете по данной расчетной формуле напор опреде­ ляется для построения характеристики трубопроводов НПС и нефтебаз.

При расчете линейной части магистрального трубопровода в указанной выше формуле не учитываются и приравниваются

кнулю потери напора:

—на преодоление местных сопротивлений, так как они очень малы по сравнению с общими потерями в трубопроводе;

—на создание скоростного напора, так как перекачка про­ водится с постоянной скоростью и без остановок.

Таким образом, при расчете линейной части магистрального трубопровода можно пользоваться упрощенной формулой

10. Построение характеристики трубопровода.

Характеристикой трубопровода называется зависимость по­ тери напора от расхода жидкости. Характеристика трубопровода

140

н

Рис. 3.11. Характеристики трубопроводамагистрального нефтепровода вразличных климатическихусловияхработы:

1 — в зимних условиях; 2,3 —в весенних и осенних условиях, 4 — влетних условиях, 5 —характеристика центробежного насоса или суммарная харак­ теристика нескольких насосов

по потерям напора строится в координатах Q— H. Задаваясь различными величинами производительности перекачки и по­ вторив расчеты, определяют требуемые напоры при различных значениях расхода.

Обычно результаты расчетов сводятся в таблицу.

По полученным данным строим характеристику трубопро­ вода (см. рис. 3.11).

Расчет трубопровода проводится, как было сказано выше, на самые наихудшие условия, то есть на максимально возможную высокую вязкость при снижении температуры грунта до самой низкой температуры (см. кривую линию 1 рис. 3.11)

В летних условиях вязкость нефти уменьшается, и характе­ ристика трубопровода будет меньшей кривизны (см. кривую 4 рис. 3.11). В весенних и осенних условиях характеристика будет располагаться между 1-й и 4-й линиями.

При наложении характеристики насоса (кривая 5 рис 3.11) на характеристику трубопровода по точкам пересечения кривых определяется фактическая производительность перекачки при соответствующем требуемом напоре.

141